Ciclo Rapoport-Lubering

En bioquímica , el ciclo de Rapoport-Lübering , también conocido como derivación de Rapoport-Lübering, lanzadera de Rapoport-Lübering , ciclo de fosfoglicerato o ciclo de 2,3- BPG , es una vía metabólica que ocurre principalmente en los glóbulos rojos (eritrocitos) de los mamíferos . , entonces hay una secuencia de reacciones químicas controladas enzimáticamente . Es una vía secundaria de la glucólisis , que consta de tres reacciones parciales, que es fundamental para la producción de energía y el metabolismo de los carbohidratos.casi todos los seres vivos. Así, el ciclo de Rapoport-Lubering es uno de los procesos bioquímicos de descomposición de la glucosa en el organismo animal .

Su principal reacción es la formación del intermedio 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) a partir de 1,3-bisfosfoglicerato , formado en la glucólisis controlada por la enzima bifosfoglicerato mutasa . El 2,3-BPG, formado en el ciclo de Rapoport-Lübering, actúa como un efector bioquímico importante en la regulación de la capacidad (afinidad) de la hemoglobina, el colorante de la sangre, para unirse al oxígeno del gas respiratorio, especialmente para su adaptación a largo plazo al oxígeno. privación, por lo que es importante para la liberación de oxígeno de los glóbulos rojos a los tejidos. También interviene en el control enzimático de la glucólisis y actúa como almacén de energía y fosfato en los glóbulos rojos.

El descubrimiento del ciclo de Rapoport-Lubering y la importancia del 2,3-BPG en el balance energético de los eritrocitos en la década de 1940 por el bioquímico Samuel Mitya Rapoport y su asistente Janet Lubering fue de gran importancia médica debido a la comprensión de estos procesos. la vida útil de la sangre enlatada se puede extender significativamente.

Aspectos bioquímicos

Proceso

El ciclo de Rapoport-Lübering es un subproducto de la glucólisis en los eritrocitos de mamíferos , incluidos los humanos . Comenzando con 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) de la glucólisis, conduce a la formación de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG). A partir de aquí se forman compuestos de ácido fosfoglicérico 3-fosfoglicerato (3-PG) y, por su isomerización , 2-fosfoglicerato (2-PG), que forman parte de la reacción de glucólisis [1] .

La presencia de la enzima bisfosfoglicerato mutasa (BPGM) responsable de estas reacciones se limita esencialmente a los eritrocitos y al tejido eritropoyético y, al ser una enzima trifuncional, tiene tres actividades distintas [2] [3] . Según el pH , actúa como sintasa (2,3-BPG sintasa, sinónimo de bifosfoglicerato mutasa; número CE 5.4.2.4) para convertir 1,3-BPG en 2,3-BPG, o como fosfatasa . (2º, 3-bisfosfoglicerato fosfatasa; número CE 3.1.3.13) para convertir 2,3-BPG en 3-PG. Además, como mutasa (monofosfoglicerato mutasa; EC número 5.4.2.1), cataliza la reacción de equilibrio entre 3-PG y 2-PG [3] .

La principal actividad de BFGM es la reacción de sintasa de 1,3-BPG a 2,3-BPG, que es irreversible . El último paso en el ciclo de Rapoport-Lübering, la conversión de 3-PG a 2-PG, es una reacción de glucólisis parcial que también ocurre en otras células por la enzima fosfoglicerato mutasa . Además, se ha encontrado una baja actividad como 2,3-BPG sintasa y fosfatasa para la fosfoglicerato mutasa, que es similar a la BPGM en términos de peso molecular , estructura de subunidades y secuencia de aminoácidos [4] . Probablemente funciona como una enzima trifuncional similar a BFGM, pero con una proporción diferente de las actividades de las tres enzimas entre sí. Además de la expresión de BFGM en algunos tejidos no eritropoyéticos como la placenta y el hígado , esta es una posible explicación de los bajos niveles de 2,3-BPG en células no eritroides [5] . Las reacciones inversas de 2-PG a través de 3-PG a 1,3-BPG y, por lo tanto, los subprocesos de la glucólisis que corren paralelos al ciclo de Rapoport-Lübering, ocurren dentro de la gluconeogénesis .

Saldo

La primera etapa del ciclo Rapoport-Lübering, el reordenamiento de 1,3-BPG a 2,3-BPG, es una isomerización con un balance de materia neutral. Sin embargo, la bisfosfoglicerato mutasa, como enzima de esta reacción, requiere la presencia de iones de magnesio [6] . La ruptura hidrolítica de 2,3-BPG a 3-PG en la segunda etapa procede con el consumo de una molécula de agua y la liberación de fosfato inorgánico . A diferencia de la conversión de 1,3-BPG a 3-PG por la fosfoglicerato quinasa durante la glucólisis, el trifosfato de adenosina (ATP) no se forma en el ciclo de Rapoport-Lubering . Por lo tanto, el rendimiento energético de la vía secundaria a través de 2,3-BPG es menor que el de la vía directa en la glucólisis.

Reglamento

Los compuestos 2,3-BPG y 3-PG, que se forman en el ciclo de Rapoport-Lübering, inhiben esta vía secundaria, por lo que es autorreguladora [7] . El 2,3-BPG también inhibe varias enzimas aguas arriba del ciclo de Rapoport-Lübering en la secuencia de la glucólisis, como la hexoquinasa y la fosfofructoquinasa [1] . Además, actúa como cofactor de la fosfoglicerato mutasa en la glucólisis [8] . Un aumento en la cantidad de 1,3-BPG estimula la producción de 2,3-BPG. Todos los procesos de glucólisis, que conducen a un aumento en la concentración de 1,3-BPG debido a la activación o inhibición de enzimas, aceleran así la formación de 2,3-BPG [7] .

Aumentar el valor de pH también da más 2,3-BPG, ya que el valor de pH óptimo para la actividad de la BFGM sintasa es de alrededor de 7,2, mientras que la actividad de la fosfatasa tiene su punto óptimo en la región ácida, y luego predomina la formación opuesta de 2,3 de BPG. Las hormonas tiroxina , somatotropina , testosterona y eritropoyetina también estimulan la formación de 2,3-BPG [9] . Por el contrario, el cloruro , el fosfato y, sobre todo, el activador fisiológico de la fosfatasa 2-fosfoglicolato conducen a una mayor escisión de 2,3-BPG a 3-PG por la función de fosfatasa de BFGM [3] .

Significado

Función fisiológica

Debido a que los eritrocitos de los mamíferos, a diferencia de la mayoría de las otras células del cuerpo, no tienen un núcleo celular o mitocondrias , tienen un metabolismo especializado de carbohidratos y energía sin el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria . Además de la vía de las pentosas fosfato, la glucólisis es la única forma de obtener energía en los eritrocitos [10] . Alrededor del 20 % del 1,3-BPG formado en los eritrocitos durante la glucólisis se convierte de acuerdo con el ciclo de Rapoport-Lübering, la proporción de 2,3-BPG formado representa aproximadamente el 50 % de todos los intermediarios de la glucólisis en los eritrocitos [1] y aproximadamente dos tercios de la cantidad total de fosfatos en los eritrocitos [11] . En condiciones fisiológicas, el 2,3-BPG está presente en los eritrocitos en aproximadamente la misma concentración molar que el pigmento de la hemoglobina sanguínea y aproximadamente cuatro veces la concentración de ATP [7] . La cantidad de 2,3-BPG está determinada por la proporción de las actividades sintasa y fosfatasa de BFGM.

El 2,3-BPG, formado en el ciclo de Rapoport -Lübering , actúa principalmente como un inhibidor alostérico de la hemoglobina, estabilizando su forma desoxi no oxigenada y, por lo tanto, regula la capacidad de unión (afinidad) de la hemoglobina al oxígeno [7] . El 2,3-BPG se une entre dos subunidades beta de hemoglobina en un bolsillo que se forma en un estado descargado, también conocido como forma T [12] . La base biofísica de la unión es la interacción entre los grupos cargados negativamente de 2,3-BPG y los residuos de aminoácidos cargados positivamente en el bolsillo de unión. Un aumento en la concentración de 2,3-BPG desplaza la curva de unión de oxígeno de la hemoglobina hacia la derecha, lo que facilita la liberación del oxígeno unido. Por el contrario, una disminución en la concentración de 2,3-BPG conduce a un desplazamiento de la curva de unión de oxígeno hacia la izquierda y, por lo tanto, a una unión más fuerte de oxígeno a la hemoglobina.

Otros factores que conducen a un aumento de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y que también afectan en parte al nivel de 2,3-BPG son una disminución de la temperatura , un aumento del pH y una disminución de la concentración de dióxido de carbono . La influencia combinada del valor de pH y la presión parcial del dióxido de carbono sobre la capacidad de la hemoglobina para unir oxígeno también se denomina efecto Bohr y es la base fisicoquímica para la regulación del intercambio de gases en los pulmones y el suministro de tejido metabólicamente activo con oxígeno. El monóxido de carbono , por otro lado, reduce la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno porque compite con el oxígeno por el mismo sitio de unión en la molécula de hemoglobina. El aumento de la cantidad de 2,3-BPG mejora el suministro de oxígeno a la periferia del cuerpo y, por tanto, el suministro de oxígeno a los tejidos, especialmente en condiciones adversas, como las condiciones asociadas con la falta de oxígeno. Por ejemplo, la exposición a grandes altitudes conduce a un aumento en la concentración de 2,3-BPG, que vuelve a los valores normales aproximadamente dos días después de volver a la línea de base [7] . La actividad física a corto o largo plazo y el entrenamiento de resistencia también afectan la concentración de 2,3-BPG de diferentes maneras [13] .

Además de esta función como mecanismo compensatorio, el ciclo de Rapoport-Lübering probablemente también juega un papel en la regulación del balance de masa y energía de la glucólisis [9] [13] . Por lo tanto, proporciona una mayor formación de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) en la glucólisis sin un aumento posterior en la concentración de ATP y permite que ocurra la glucólisis incluso con una baja demanda de ATP. Además, el 2,3-BPG es un almacén de energía y fosfato en los eritrocitos.

Importancia médica

Los defectos enzimáticos en aquellas reacciones glucolíticas que ocurren después de la formación de 2,3-BPG provocan un aumento en su concentración, una disminución en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y, por lo tanto, una mayor liberación de oxígeno en el tejido [1] . Por el contrario, los defectos en las reacciones glucolíticas antes del ciclo de Rapoport-Lübering conducen a una disminución de la concentración de 2,3-BPG y, por tanto, a una disminución del suministro de oxígeno a los tejidos.

La regulación específica de la bifosfoglicerato mutasa para influir en la concentración de 2,3-BPG en los eritrocitos puede ser de interés terapéutico, por ejemplo, para el tratamiento de la isquemia y la anemia de células falciformes [3] [14] . Se ha descrito una disminución de la actividad de BFGM debido a la glicación en pacientes diabéticos [2] . La deficiencia congénita de BFGM se ha documentado solo en unos pocos casos [15] . Aparte de la eritrocitosis secundaria (aumento de la producción de glóbulos rojos), la mayoría de los pacientes eran asintomáticos. La determinación de laboratorio de 2,3-BPG en eritrocitos y suero es posible, pero no común debido a su bajo valor diagnóstico y es de interés solo para preguntas especiales.

El 2,3-BPG en los eritrocitos, al igual que el ATP, afecta la vida útil de la sangre depositada . Debido al aumento en la concentración de lactato a medida que aumenta el período de almacenamiento, el valor de pH de la sangre extraída cambia a la región ácida, lo que significa que el 2,3-BPG se escinde más y se inhibe su neogénesis. La adición de aditivos como dextrosa y adenina , como los que se encuentran en las bolsas de sangre CPDA o CPD/SAGM actualmente utilizadas, puede retrasar la disminución de 2,3-BPG y, por lo tanto, aumentar la longevidad y la función de la sangre almacenada [16] .

Aspectos veterinario-fisiológicos

La concentración de 2,3-BPG en los eritrocitos y el grado de su efecto sobre la hemoglobina difieren en diferentes mamíferos [9] [13] [17] . En consecuencia, las hemoglobinas de humanos , caballos , perros , cerdos , conejos , cobayas , ratones y ratas , cuyos eritrocitos tienen una alta concentración de 2,3-BPG, reaccionan fuertemente. Por el contrario, el efecto de la 2,3-BPG sobre la hemoglobina, así como el contenido de 2,3-BPG en eritrocitos de ovejas , cabras y vacas , ciervos , antílopes y jirafas , así como hienas y gatos , es menor . .

En las aves, el 2,3-BPG solo actúa como regulador de la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina durante el desarrollo embrionario . Unos días después de la eclosión , el huevo se destruye por completo y, más adelante en la vida, los fosfatos de inositol , como el hexafosfato de inositol (IHP) [18] , asumen la función del 2,3-BPG . En los peces, el 2,3-BPG se encuentra solo en unas pocas especies; los organofosforados dominantes en los eritrocitos de los peces son el ATP y el trifosfato de guanosina (GTP) [19] . En los eritrocitos de reptiles se encuentran principalmente organofosforados: ATP, IHP y myo-inositol-5-fosfato (IP5).

La razón de las diferencias entre los mamíferos y otros vertebrados es el metabolismo energético especial de los eritrocitos en los mamíferos. En los eritrocitos nucleados de otros vertebrados, la cadena respiratoria es la vía principal para la producción de energía, en lugar de la glucólisis, como en los eritrocitos de mamíferos [19] .

Historial de descubrimientos

El 2,3-BPG, un producto de reacción del ciclo de Rapoport-Lübering, fue descrito y aislado por primera vez en 1925 [20] el material de partida 1,3-BPG por Erwin Negelein en 1939 [21] El bioquímico nacido en Austria Samuel Mitya Rapoport y su Luego, la asistente técnica Janet Lubering descubrió las reacciones necesarias para formar 2,3-BPG en los EE. UU. en la década de 1940 y las describió en varias publicaciones conjuntas a principios de la década de 1950 [22] [23] . La investigación sobre esta vía metabólica condujo al desarrollo de un medio ACD que contiene citrato y dextrosa , lo que podría aumentar la vida útil de los suministros de sangre de una a tres semanas. Debido a la importancia de este descubrimiento para la medicina militar durante la Segunda Guerra Mundial, Samuel Mitya Rapoport recibió la "Carta Presidencial" del presidente estadounidense Harry S. Truman [24] .

Debido a sus creencias políticas, Samuel Mitya Rapoport, quien recibió una beca de un año en el Hospital de Niños de la Universidad de Cincinnati en 1937 y no regresó a Europa después de que Alemania anexó Austria debido a su origen judío , se fue al Partido Demócrata de Alemania . República (RDA) en 1952. Aquí se convirtió en uno de los principales bioquímicos del país y continuó su investigación sobre el metabolismo de los eritrocitos. Junto con su esposa Ingeborga Rapoport , pediatra, y su hijo Tom Rapoport , quien se mudó a la Universidad de Harvard en 1995, publicó artículos en la década de 1970 sobre la dependencia del pH de la formación de 2,3-BPG y sobre la regulación de la glucólisis. en eritrocitos.

Las propiedades de la bifosfoglicerato mutasa como enzima central del ciclo de Rapoport-Lübering y su actividad trifuncional se caracterizaron con más detalle en las décadas de 1960 y 1970 [4] [25] . En 1967, se aclaró el efecto de la 2,3-BPG sobre la hemoglobina [26] ; en 1978, se describió la aparición congénita de una deficiencia completa de BFGM en un paciente [27] . Diez años más tarde, el gen de la enzima se aisló y caracterizó en el cromosoma 7 humano [5] . La base molecular de la función BFGM se estudió con más detalle en la década de 1990 [14] [28] , en 2004 se elucidó la estructura cristalina de la molécula de la enzima [3] . Cuatro años más tarde, también se describió que la enzima inositol polifosfato fosfatasa múltiple (MIPP), que se encuentra en varios tejidos, tiene actividad de 2,3-BPG-fosfatasa [29] . Este descubrimiento es importante para la regulación de la liberación de oxígeno de la hemoglobina y, por tanto, para el papel fisiológico del ciclo de Rapoport-Lübering.

Notas

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Enlaces web

• UniProt: bifosfoglicerato mutasa - Homo sapiens (humano) UniProt Información sobre bifosfoglicerato mutasa